多箱式组合小箱梁桥力学性能及试验研究

摘要：本文以杭州秋石快速路二期工程四跨40米简支钢混组合小箱梁桥为背景,设计了钢混组合小箱梁桥足尺模型试验方案,由有限元分析的一些主要成果及其与试验实测值的比较,得到了许多有益的结论,其对钢混组合小箱梁桥的建设具有一定的指导作用。

关键词: 钢混组合；小箱梁桥；足尺模型；有限元分析；试验

中图分类号: TU411;TU472.5文献标识码: A 文章编号:

Mechanical behaviour and experiment study of Multi- box Steel Concrete Composite Girder Bridge

Ke Hexin1, He Yuliang 1,2, Zhou Xiao3, Liu Lisi2, Liu Chenxi2

(1.Hangzhou Municipal Public Construction Development Company ,Hangzhou ,Zhejiang 310009,China; 2.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou ,Zhejiang 310058 , China; 3.Tianheng Investment & Construction Co.,Ltd.in Hangzhou,Hangzhou,Zhejiang 310003,China)

Abstract. Taking the four-span 40m simply supported multi-box steel-concrete composite girder bridge in the ProjectⅡ ofQiushi Expressway in Hangzhou as the background, the test project of the full scale model of steel-concrete composite girder bridge is designed, the values obtained by the finite element analysis and test results are compared,Some important conclusions are drawn,and it is beneficial to the construction of multi-box steel-concrete composite girder bridge.

Key words: Steel-concrete composite; Box girder bridge; Full scale model; Finite element method; Test

随着我国城市化进程的进一步加快，我国城市的拥堵问题日益凸显，如何加强城市交通基础设施建设、构建城市快速路网显得尤为重要。由此引出在进行城市快速路网的建设中如何尽量减少施工对周边交通影响的重要课题，这对工程设计人员提出更高要求，特别是在立体交叉设计施工时一定要考虑到交叉路口的交通组织、结构自身的高度和桥下的净空、施工场地以及施工周期等问题，这些问题往往依靠传统的混凝土结构是很难解决的。然而多梁式钢-混凝土组合小箱梁桥却能克服这些弊端，此种结构自身高度低、质量轻便利吊装、可进行无支架施工，有利于施工中交通组织及满足结构要求。在目前，现有规范及文献对多梁式钢-混凝土组合小箱梁桥的理论分析与工程应用的研究成果甚少，为进一步推广多梁式钢-混凝土组合小箱梁桥在城市快速路网中的应用，有必要对其受力特性进行研究。

根据杭州市秋石快速路二期工程跨绕城高速公路采用四跨40米简支钢混组合小箱梁桥的特点，进行模拟力学加载试，对其力学特性进行试验研究，以全面反映结构的实际工作状态和应力分布。此桥桥面宽为17.8m，叠合梁的钢结构部分采用全焊接钢梁，钢梁由U型主梁、横隔梁及加劲肋组成， U型主梁和现浇钢筋混凝土板通过剪力连接件共同抵抗外载。钢主梁梁高为2.23m。钢筋砼桥面板为现场浇筑，砼板厚为0.20~0.27m。

图.1 横截面图 (mm)

Fig.1 Transverse section(mm)

作者简介：柯鹤新（1961-），男，浙江杭州人，高级工程师，主要从事市政桥隧工程及道路工程建设管理工作。E-mail: .

1试验方案

试验荷载

试验荷载采用等效车辆进行加载，分二个工况(图2、图3)，每工况分为二级加载，加载分级用车辆数量来控制，这样便于试验过程的车辆调配和指挥，根据实际加载车辆的位置，可以精确地计算出加载效率，当最后一辆车加上后，就达到了试验加载的目标。在每一测试截面加载试验中（每辆车重35KN），加载方式为单次逐级递加到最大荷载，然后卸载到零荷载。

图.2 跨中最大弯矩时荷载布置图图.3跨中最大剪力时荷载布置图

Fig. 2 Maximum bending moment load case in mid-spanFig. 3 Maximum shear load case near support point

1.2 测点布量及测试内容

各箱梁顺桥向跨中截面应力测点布置如图4所示，主要测试箱梁控制截面的应力分布规律和受力性能。

图.4 跨中横截面应变片布置图

Fig. 4Layout of stress sensors in the cross sections in the mid-span

位移测试通过在跨中梁底布设棱镜，用全站仪进行测量（日本SOKKIA，精度为0.5”级），棱镜位置如图5所示。

图.5 跨中横截面底部挠度测点布置图

Fig. 5 Layout of deflection test points under the bottom of cross sections in the mid-span

1.3 动载试验

动载实验利用DHDAS5920动态数据采集与处理系统进行动载试验的数据采集与处理分析。全桥共布置12个竖向加速度传感器和3个横向加速度传感器，具体布置见图6，测点分别布置在各小箱梁中轴线的跨中、1/4跨处，其中测点3为参考点。

图.6 加速度传感器布置图

Fig. 6Arrangement of acceleration sensors in the deck

2 有限元模型

利用ANSYS程序建立有限元模型，如图7所示。混凝土桥面板采用solid65单元模拟，弹性模量为3.45×1010Pa ；钢梁以shell63单元进行模拟，弹性模量为2.06×1011Pa ；剪力连接键在UX、UZ 方向用combin39模拟，在UY方向混凝土桥面板和钢梁完全耦合。

图.7 有限元模型图

Fig. 7Finite element model

3试验结果与有限元分析

图.8 工况1跨中挠度图

Fig. 8 Deflection distribution along br. transverse in case 1

图.9 工况2跨中挠度图

Fig. 9 Deflection distribution along br. transverse in case 2

图.10 工况1跨中钢梁底应变图

Fig. 10 Strain distribution along br. transverse in case 1

图.11 工况2跨中钢梁底应变图

Fig. 11 Strain distribution along br. transverse in case 2

图8-9为两个工况的挠度变形图，图10-11为两个工况的应变图。由于施工时桥面板偏厚，以及在进行数值模拟忽略了加劲肋的作用，使得实测值偏小于有限元计算结果。从图8和图10可知，该桥在偏载作用下荷载横向分布符合偏心压力法。

表 1有限元计算频率与实测频率比较(单位：Hz)

Table 1 Comparison of the measured frequency and FEM frequency(Hz)

表2 各测点振型向量实测值

Table 2Vibration mode vectors of every measured point in the front 1st，2nd and 3rd order

图12 试验振动响应结果

Fig. 12frequency spectrum by testing analysis

图13一阶振型

Fig. 13the vibration mode shape in 1st order

图14二阶振型

Fig. 14the vibration mode shape in 2nd order

图15三阶振型

Fig. 15the vibration mode shape in 3rd order

表1为实测频率与理论频率之间的比较，表2为各测点振型向量试验值，图12为实际振动响应结果，图13-15为前三阶振型图。由于施工误差和模型简化，使得实测频率偏大于有限元计算频率，但有限元振型与实测振型吻合较好。

4 结语

1）钢梁的加劲肋和横隔梁对桥梁的抗弯承载力有一定的贡献，在设计钢混组合梁桥时应该考虑加劲肋和横隔梁的有利作用，以降低工程成本。

2）在计算钢混组合梁桥的荷载横向分布系数时，建议使用偏心压力法进行计算。

3）由于简支钢混组合梁桥的相邻频率值间隔大，因此在进行结构损伤识别时，建议使用基于结构频率的变化法。

参考文献：

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